穩定化爐渣對瀝青混合料抗裂性能的影響研究

周 青，周建華，康永強，薛永超

(1.華邦建投集團股份有限公司 廣州市 510000； 2.東南大學 南京市 210000)

0 引言

爐渣是垃圾高溫焚燒后的產物，屬于輕質多孔材料[1]。由于爐渣粒徑分布良好，且具備較好的力學性能，研究者對其在道路工程中的資源化利用展開了廣泛研究[2]。劉棟等人通過馬歇爾試驗對爐渣瀝青混合料的路用性能展開研究，結果表明：爐渣性能波動范圍較大，這導致了爐渣瀝青混合料路用性能具有較大的離散性[3]。趙曜等人針對爐渣在多孔瀝青混合料中的應用展開了研究，結果指出：爐渣在瀝青混合料集料中的替代比例存在閾值，當爐渣替換比例為20%左右時，所得爐渣瀝青混合料的抗裂性能較好[4]。爐渣在道路工程中的廣泛應用存在兩個問題亟待解決：

(1)爐渣性能波動范圍大，這直接導致所制備的爐渣瀝青混合料的性能存在較大波動[2-3]。

(2)由于爐渣的結構疏松多孔，所制爐渣瀝青混合料的抗裂性能較差，因此爐渣的實際替換比例較低，限制了爐渣的資源化利用率[4-7]。

采用了一種加速的風化處理方法以對爐渣進行穩定化處理，減小其力學性能的波動范圍，并通過低溫彎曲試驗與Overlay Test試驗對所述爐渣穩定化處理的效果進行驗證，為實際工程提供參考依據。

1 爐渣的穩定化處理

為提高穩定化處理效果，拓寬爐渣在道路工程中的應用前景，提出了一種爐渣-污泥聯合穩定化處理方法，通過加入富含微生物的污泥，提高爐渣中鈣鹽的碳酸化進程，以達到增強爐渣風化處理效果的目的。所設計的聯合穩定化處理池的三維尺寸為0.9m×0.9m×0.1m，柱體中央設有直徑10cm的鐵絲網導管，側面設有橫向并列的三根直徑為20mm的輔助導氣管，導氣管上均勻排布直徑4mm的圓形小孔，以促進空氣的流通，反應池下部為濾網和集液池，用以接收下滲的液體，穩定化處理池如圖1所示。

圖1 聯合穩定反應柱

檢測聯合穩定化處理后爐渣的集料性能，并以玄武巖集料作為對照，檢測結果如表1所示。

如表1所示，穩定化處理增加了爐渣顆粒的密實性。爐渣穩定化處理后，其吸水率下降達60.6%，其壓碎值也出現顯著下降，這說明穩定化處理減少了爐渣內部的多孔結構，新生碳酸鈣的填充效果較好。

2 原材料、配合比設計及試驗方法

2.1 原材料

(1)改性瀝青

采用高溫性能較好的高粘改性瀝青，其技術性能指標如表2所示。

(2)集料

采用玄武巖作為天然集料，礦粉填料為石灰巖礦粉，玄武巖集料技術性質如表3所示。

2.2 配合比設計

(1)級配組成設計

由于爐渣粒徑分布集中于0～4.75mm，結合相關研究，采用穩定化處理后的爐渣替換SMA-13瀝青混合料級配中0～4.75mm的集料，并擬定替換比例為0%、10%、20%、30%與40%，所采用的SMA-13級配如表4所示。

(2)最佳油石比確定

為確定最佳油石比，基于表4所示的級配，以油石比間隔0.3%，設置5.9%、6.2%、6.5%三個油石比分別制作馬歇爾試件，試驗結果如表5所示，得到最佳油石比為6%。

3 試驗結果分析

采用三點小梁彎曲試驗與Overlay Test試驗綜合評價穩定化處理對爐渣瀝青混合料的影響。

3.1 低溫彎曲試驗

先采用三點小梁彎曲試驗以初步評價爐渣對混合料低溫路用性能的影響，設定試驗溫度為-10℃，試驗結果如圖2所示。

圖2 低溫彎曲試驗結果

由圖2可知，未經穩定化處理的爐渣加入瀝青混合料后，其低溫性能隨爐渣替代比例的提高而明顯下降，這是因為未經穩定化處理爐渣的多孔結構特點突出，在外力作用下極易破碎，進而降低混合料的抗裂性能。而穩定化處理可提高爐渣顆粒的密實性，其結構強度得到提高。穩定化處理后，爐渣瀝青混合料低溫性能隨替代比例增加而下降的趨勢明顯放緩，由圖中趨勢線可知，當爐渣替代比例為30%左右時，兩種瀝青混合料低溫性能的差距開始顯著增大，說明所述的穩定化處理方法可在保證混合料低溫性能的基礎上，提高爐渣的替代比例，以增加爐渣的回收利用率。

3.2 OT試驗

采用OT試驗以評價不同爐渣替換比例對瀝青混合料抗裂性能的影響，試驗方法為：首先，通過旋轉壓實法成型高100mm、底面直徑150mm的圓柱形混合料試件；再采用切割機將試件切割成標準OT試件，如圖3所示；最后參照規程通過Overlay Test試驗儀對試件性能進行檢測，設定加載模式為三角波循環位移控制，單個加載周期為10s，水平拉伸位移峰值設定為0.625mm，試驗溫度定為15℃。

圖3 OT試驗試件

結合標準OT試驗，對爐渣瀝青混合料抗裂性能的影響展開研究，OT試驗結果如圖4所示。

圖4 OT試驗結果

由OT試驗結果可知，爐渣替代比例越高，瀝青混合料形成初始裂縫所需的能量越小，即抗裂性能越差。由圖4(a)與圖4(b)可發現，隨著爐渣替換比例的提高，爐渣瀝青混合料的第一周期最大荷載與斷裂能出現明顯下降。當爐渣替換比例從30%增加至40%時，該下降趨勢最為顯著，這說明30%爐渣替換比例為關鍵閾值，實際工程應當謹慎應用爐渣替換比例超過30%的瀝青混合料。由于該兩種指標表征了混合料初始裂紋萌生時所需要的能量，因此隨著爐渣替換比例的增加，瀝青混合料的初始裂紋越易萌生，其發生結構性損傷的時機將明顯提前。由圖4(c)與圖4(d)可知，爐渣瀝青混合料的加載周期次數與容許破壞次數隨爐渣替換比例的增加而趨于下降，當爐渣替換率從30%變化至40%時，容許破壞次數的下降幅度最大，達到33.3%，說明替換比例大于30%時，爐渣瀝青混合料不宜用以承受繁重的交通荷載，其對反復荷載作用的抵抗能力較差。結合圖4(e)綜合分析可得，爐渣的加入在一定程度上降低了瀝青混合料初始裂紋萌生的閾值，使得爐渣瀝青混合料更易發生開裂病害。

4 結論

基于三點小梁彎曲試驗與OT試驗，對爐渣的穩定化處理效果展開研究，得到以下主要結論：

(1)基于爐渣內鈣鹽的碳酸化反應，設計了一種爐渣穩定化處理方法，穩定化處理后爐渣的壓碎值、密度、密水性等得到一定提升。

(2)爐渣瀝青混合料的低溫性能隨爐渣替代比例的增加而下降，對于采用穩定化處理爐渣制備的瀝青混合料，其低溫抗裂性能的下降趨勢較未穩定化爐渣相對平緩，即所述穩定化處理有益于提高爐渣瀝青混合料的低溫抗裂性能。

(3)結合OT試驗結果，穩定化處理后的爐渣最大替代比例可達30%，若爐渣替代比例超過30%，爐渣瀝青混合料的性能將出現顯著下降。